傅文杰

（湖南湘安新能源科技有限公司，湖南長沙 410000）

0.前言

空壓機作為礦山主要四大件之一，是主要的動力源設(shè)備，在企業(yè)的生產(chǎn)中發(fā)揮著重大的作用。螺桿式空氣壓縮機具有結(jié)構(gòu)簡單、性能可靠和操作方便、節(jié)能、安全環(huán)保、管理費用低等優(yōu)點得到了廣泛的應(yīng)用。在空壓機使用壽命內(nèi)的成本核算中可以看出，空壓機的采購成本只占到5%，維護成本占比5%，而占使用成本最大塊的是能耗，達到90%?？諌簷C運行時產(chǎn)生的熱資源如果無法充分利用。往往會造成大量的能耗損失。如何結(jié)合我礦現(xiàn)有加熱方式把這部分熱資源利用起來，及利用這部分熱資源后又產(chǎn)生了多少效益，正是本文所探究的課題。

1.系統(tǒng)的組成

1.1 余熱回收系統(tǒng)組成

整個余熱回收系統(tǒng)由機組冷卻循環(huán)系統(tǒng)、回水系統(tǒng)、補水系統(tǒng)、電氣控制系統(tǒng)、內(nèi)壓保護系統(tǒng)等組成。

1.2 電控系統(tǒng)組成

我礦自行設(shè)計的余熱回收電控系統(tǒng)主要由溫度控制器、水位控制器、空氣開關(guān)、接觸器、溫度傳感器、水位傳感器、電磁閥等組成。

2.原理論述

2.1 余熱回收系統(tǒng)原理

螺桿式空氣壓縮機在長期而又連續(xù)的運行過程中，首先把電能轉(zhuǎn)換為機械能，再把機械能轉(zhuǎn)換為高壓壓縮空氣的內(nèi)能。在機械能轉(zhuǎn)換為高壓壓縮空氣內(nèi)能的過程中，空氣被強烈壓縮后溫度急劇上升，而空壓機機頭的雙螺桿在高速旋轉(zhuǎn)時也產(chǎn)生了大量熱量。這兩部分熱量疊加后經(jīng)油氣混合物帶出機頭進入油氣筒，再把機械能轉(zhuǎn)換為高壓壓縮空氣的動能。在機械能轉(zhuǎn)換為高壓壓縮空氣動能過程中，空壓機機頭的雙螺桿在高速旋轉(zhuǎn)時產(chǎn)生了含有大量熱量的油氣混合物，經(jīng)油氣分離后，高溫的潤滑油最后以風(fēng)冷的形式把熱量散發(fā)出去。螺桿式空壓機的潤滑油溫度通常在85℃（冬季）－98℃（夏季），這些熱能都通過空壓機的風(fēng)冷散熱系統(tǒng)作為廢熱排放到環(huán)境中去。

螺桿式空壓機余熱回收節(jié)能設(shè)備，采用熱交換器的冷熱交換、同程截流的原理，將高溫潤滑油的熱量把20℃的冷水轉(zhuǎn)換為45℃～72℃的熱水，從而解除了企業(yè)為解決員工生活熱水及供暖系統(tǒng)所長期承受的經(jīng)濟負擔?？諝鈮嚎s機在工作過程中所耗電能轉(zhuǎn)變熱量后大部分被壓縮后的油氣混合物帶走，這些混合物經(jīng)過分離，分別在各自的冷卻器（油冷卻和氣冷卻）中被冷卻介質(zhì)（水或空氣）帶走，白白浪費了。從理論上來看，除了4%的熱輻射和6%被氣體帶走的熱量外，還有高達90%的熱量可以被回收利用[1]。

空壓機在運行一段時間后，溫度開始升高，當潤滑油溫度升高到70℃時，此時油路的閥門自動打開，潤滑油進入熱交換器將熱量傳遞給循環(huán)桶里的冷水，將冷水的溫度加熱至45℃以上，然后進入下一流程。如果經(jīng)過熱交換器后潤滑油的溫度仍然低于油冷卻器旁通閥設(shè)定值，則不進入油冷卻器而直接進入空壓機油氣桶循環(huán)，以防止?jié)櫥蜏囟冗^低于在空壓機工作腔內(nèi)產(chǎn)生冷凝水。水溫不斷加熱至72℃或以上時，余熱回收熱交換器內(nèi)不再發(fā)生熱量的交換。當潤滑油的溫度升高到85℃以上時，此時余熱回收裝置會自動切換到原有的風(fēng)機冷卻系統(tǒng)，通過風(fēng)冷對潤滑油進行降溫冷卻，以保證空壓機的正常運轉(zhuǎn)。

2.2 電控系統(tǒng)原理

余熱回收系統(tǒng)隨著空壓機運行而啟動后，循環(huán)桶里的冷水經(jīng)余熱回收的熱交換機不斷加熱，當水溫達到設(shè)定的溫度（42℃）時，若熱泵儲水桶的水位傳感器檢測到水位不足，則抽熱水泵的電機自動啟動，開始往儲水桶加熱水。當熱泵儲水桶水位達最高點或循環(huán)桶水位達最低點又或是循環(huán)桶水溫下降至下限設(shè)定溫度（37℃）時，抽熱水泵的電機自動停止，完成熱水輸送的過程。

當循環(huán)桶的水位下降到設(shè)定點，同時水井的水位傳感器檢測到水位充足時，抽冷水泵的電機自動啟動，開始往循環(huán)桶補充冷水，直到循環(huán)桶的水位達最高點或水井的水位達最低點，抽冷水泵的電機自動停止，完成補充冷水的過程。

兩個循環(huán)桶有各自裝有水位傳感器和溫度傳感器，通過各自的控制器進行控制水位和水溫。同時各自的進水端和出水端均安裝有電磁閥，通過補充冷水和輸送熱水的接觸器的常開觸點控制電磁閥的開閉，能各自完成輸送熱水和補充冷水，互不影響。

2.3 電氣原理圖

圖1中：QX為缺相保護器的常開觸點，缺相保護器的QX觸點在無電源時處于斷開狀態(tài)，在三相電源正常時處于閉合狀態(tài)，接通控制回路。當三相電源發(fā)生缺相故障時，缺相保護器動作，自動斷開QX，控制回路隨之斷電，保護三相電機避免因缺相運行而燒壞[2]。

圖1 電氣原理圖

K1、K2分別為1#循環(huán)桶和2#循環(huán)桶控制補充冷水的水位控制器的常開觸點，它們與控制1#循環(huán)桶和2#循環(huán)桶的冷水補充泵的接觸器KM1、KM2的線圈串聯(lián)形成回路。當兩個循環(huán)桶的水位不足時，水位控制器動作，K1、K2相應(yīng)閉合接通回路，接觸器KM1、KM2相應(yīng)吸合，補充冷水的水泵工作。當循環(huán)桶的水位達到最高點或者水井的水位達到最低點時，水位控制器的K1、K2觸點斷開，補充冷水的水泵停止工作。

K5為熱泵儲水桶水位控制器的常開觸點，當澡堂樓頂上的熱泵儲水桶的水位到達最低點時，K5閉合，為接觸器KM3、KM4線圈的接通作前提條件。

K3、K4分別為1#循環(huán)桶和2#循環(huán)桶控制輸送熱水的水位控制器的常開觸點，它們分別與1#循環(huán)桶和2#循環(huán)桶溫度控制器的常開觸點T1、T2串聯(lián)，再與熱水泵的接觸器KM3、KM4的線圈串聯(lián)形成回路。

因此，輸送熱水的水泵電機的啟動需要具備以下3個條件：（1）澡堂樓頂上的熱泵儲水桶的水位到達最低點時，即K5閉合。（2）1#循環(huán)桶和2#循環(huán)桶的水位高于最低點，即K3或K4閉合。（3）1#循環(huán)桶和2#循環(huán)桶的溫度大于設(shè)定值（42℃）時，即T1或T2閉合。

D1、D2分別為1#循環(huán)桶和2#循環(huán)桶控制補充冷水的電磁閥，它們隨冷水泵的啟停而開閉。D3、D4分別為1#循環(huán)桶和2#循環(huán)桶控制輸送熱水的電磁閥，它們隨熱水泵的啟停而開閉。

3.余熱回收電控系統(tǒng)產(chǎn)生的效益分析

自安裝了余熱回收電控系統(tǒng)以來，我礦機電值班技術(shù)員對余熱回收每天產(chǎn)生的熱水噸數(shù)均有記錄。通過對記錄的測算，平均每天產(chǎn)生熱水的噸數(shù)為30t。

3.1 余熱回收系統(tǒng)對冷水加熱產(chǎn)生的效益（按等效電耗計算）

年電耗1=年工作日×（余熱產(chǎn)生平均溫度-進水平均溫度）×1噸水每溫升1℃需耗電量×每天平均產(chǎn)生熱水噸數(shù)=320d×(45℃ -20℃ )×1.16kW·h/t·℃ ×30t=278400kW·h。

3.2 停掉空壓機冷卻風(fēng)機產(chǎn)生的效益（按電耗計算）

年電耗2=年工作日×每天開機時間×電機功率×臺數(shù)=320d×6h×4.4kW×3=25344kW·h。

3.3 余熱回收電控系統(tǒng)一年產(chǎn)生的經(jīng)濟效益總和

節(jié)省電費總和=（年電耗1+年電耗2）×平均電價=（278400+25344）kW·h×0.66元=200471.04元，約為20萬元。

經(jīng)計算，我礦三套余熱回收系統(tǒng)一年產(chǎn)生的直接經(jīng)濟效益總和為20萬元。因余熱回收系統(tǒng)故障率低，在相比用空氣源熱水泵的情況下，每年還可節(jié)省約5萬元的維護費用（間接經(jīng)濟效益）。同時可以通過調(diào)節(jié)空壓機的原始參數(shù)，來決定風(fēng)機冷卻的時機。空壓機的高溫潤滑油經(jīng)過余熱回收系統(tǒng)的熱交換器與冷水交換熱量后，潤滑油的溫度已降到空壓機運行時所允許的范圍內(nèi)，沒有必要再經(jīng)過風(fēng)機冷卻，這時就可以使原空壓機設(shè)計的風(fēng)機散熱轉(zhuǎn)變?yōu)閭溆蒙嵯到y(tǒng)，減少風(fēng)機的使用率，進一步達到節(jié)電的節(jié)能效果。

4.結(jié)語

余熱回收系統(tǒng)不僅有利于空壓機的穩(wěn)定安全運行，且可以充分利用空壓機運行時產(chǎn)生的熱能資源，生產(chǎn)熱水用于職工澡堂的熱水供應(yīng)，還可以使空壓機的運行溫度得到有效改善，尤其減少空壓機在夏季頻繁因“高溫故障跳機”而引起空壓機大故障，減少影響生產(chǎn)的不良因素，空氣壓縮機的產(chǎn)氣率也提高了5%～8%[3]。由此可見，余熱回收系統(tǒng)在實際應(yīng)用中，不僅產(chǎn)生了非?？捎^的直接及間接的經(jīng)濟效益，而且在企業(yè)節(jié)能降耗的環(huán)節(jié)中占有重要的一席之地。